既有城市隧道損傷識別技術綜述*

劉開之，崔景川，劉夏臨，蔡厚強

1.中國交建總承包經營分公司，北京 100032

2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056

城市隧道交通是城市發展的關鍵。20世紀以來，我國的城市化進程迅猛發展，城市規模急劇擴大，城市交通需求激增。經過幾十年的發展，我國的城市隧道存在結構復雜多樣、設施超標老化、運營環境復雜、管理水平欠缺等特點，使得我國的既有城市隧道運維安全問題突出。隧道結構是典型的線狀結構，其結構損傷識別更是面臨嚴峻的挑戰。

在日常運營過程中，由于反復交通荷載以及環境荷載的共同作用，隧道結構發生災害損傷是不可避免的。大量的研究表明，襯砌裂縫、剝落、滲漏水、空洞、結構暗病等病害損傷不僅會嚴重影響隧道結構的性能和壽命，還會直接威脅隧道交通的安全運行。因此，城市隧道的安全評估、災害損傷識別、管養一體化是當前乃至今后迫切需要解決的主要問題之一。

基于以上背景，文章通過廣泛的國內外調研，對當前國內外結構損傷方法進行了系統的歸納和梳理，為城市隧道損傷識別提供基準參考，同時為城市隧道損傷識別方法的革新提供有益的依據。

1 城市隧道損傷類別

城市隧道在漫長的服役期內，受建設期施工質量、運維期環境等影響出現各種結構損傷，如剝落掉塊、開裂、接縫張開、材料劣化、滲漏水、嚴重變形、襯砌凍害、洞口病害、腐蝕、侵蝕、土砂流入等。尤其是特種襯砌類型，經常會發生襯砌背后空洞、襯砌裂縫、注漿不密實、襯砌厚度不足等病害；而盾構管片襯砌結構則易發生管片錯位、不均勻沉降、襯砌裂縫、襯砌劣質老化等病害。除此之外，運營期的城市隧道受滲漏水、管片材料劣化及循環動荷載等因素的影響，隧道底部容易產生脫空病害。因此，有必要對城市隧道開展系統而有針對性的損傷識別研究，在運營期為其安全評估提供基礎性資料，同時在災害發生時，及時為災害處置方案提供技術支持。

2 既有城市隧道損傷識別技術

近年來，城市隧道失事時有發生，嚴重影響了人們對隧道安全性和耐久性的信任，易引起公眾恐慌，造成惡劣的社會影響。通常，隧道安全評估由安全檢查員和（或）結構工程師手動執行，人工目視檢查是最快捷也是最常用的方法，然而對于隱蔽性和不確定性的災害損傷，比如襯砌背后空洞、注漿不密實、襯砌厚度不足、盾構管片螺栓屈服、接縫張開、襯砌劣質老化等，人工目視檢查具有先天的不足和缺陷，無法達到預期的服務要求，因此需借助專業的損傷識別技術進行安全評估。到目前為止，國內外學者常用的城市隧道結構損傷識別技術可以大致可以歸納為如下幾類。

2.1 基于損傷指標變化的損傷識別技術

通常，把反應結構動力性能變化的指標稱為結構損傷指標[1]。在實際隧道工程中，經常采用的損傷指標有固有頻率[2]、模態[3]、曲率、柔度矩陣[4]、頻響函數[5]等，這種損傷識別技術在結構損傷識別領域有著廣泛的應用。

2.2 基于模型修正的損傷識別技術

在損傷識別的過程中，根據動力特性的試驗結果修正識別模型的技術被稱為基于模型修正的損傷識別技術[6]。Berman等[7]提出模型修正法的一般形式，探討擾動矩陣的最小值問題，并利用采集到的模態數據來修正模型。Fritzen等[8]基于靈敏度特性對結構模型進行了相應的修正，以此為基準對結構進行損傷識別研究。

2.3 基于時間序列分析的損傷識別技術

基于隨機過程和數理統計學理論的動態統計方法是基于時間序列分析的損傷識別技術的核心，是基于局部時間域上的特性或在一段時間域上結構的振動響應特征的統計特性來識別結構的損傷。張凱瑋等[9]應用盾構隧道縮尺模型來驗證ARMA模型殘差損傷指標的損傷識別正確性和有效性。

2.4 基于靈敏度的損傷識別技術

基于靈敏度的損傷識別技術是將實時采集的特征數據作為指標，對結構的損傷識別模型進行修正，以最大限度地使修正后的結構模型與相關試驗的動力特性結果一致。龔球等[10]提出基于動力特性靈敏度解析代數算法的結構損傷識別方法，推導靈敏度解析式，并應用數值仿真驗證其有效性。周玉鋒等[11]基于靈敏度分析，對地下結構簡化模型進行了系統的損傷識別方法研究。基于靈敏度的損傷識別技術輸入參數較少，只計算一階靈敏度，應用較為廣泛。

2.5 基于智能算法的損傷識別技術

近幾十年，基于智能算法的損傷識別方法越來越多，借助人工智能強大的深度學習算法，對結構的損傷識別開創了新的研究。丁政豪等[12]通過改進現有蜂群算法，提出了新的結構損傷識別方法，并進行了相關的驗證。周梓檀等[13]基于模擬退火機制的蜂群算法，對結構損傷識別方法進行了詳細研究。黃宏偉等[14]針對城市盾構隧道的滲漏水問題進行了深入研究，基于計算機視覺對滲漏水病害進行了快速精準的識別診斷，并提出了相應的算法。

2.6 健康監測技術

健康監測作為一種長期的手段，是城市隧道損傷識別技術的重要補充。謝雄耀等[15]對甬江沉管隧道進行了長期的沉降監測研究，結合監測數據進行了數值分析計算，得到了一些有益的結論。

3 城市隧道損傷識別存在的問題及下一步的研究重點

由于城市隧道的復雜性，隧道損傷識別研究還處于初級階段，很多方法是借鑒其他領域的成熟方法，適用于城市隧道損傷識別的研究方法、識別程序等各方面尚未成熟，還存在諸多缺陷與不足。城市隧道損傷識別研究中尚存在以下問題需要進一步研究：

（1）傳統單一的無損識別技術大多不能對整個結構進行檢測，即需要提前知道損傷發生的大致區域，這些方法的另一個問題是成本高、耗時長，因此應重點研究針對整體結構的損傷識別方法；

（2）聚焦新型城市隧道損傷識別方法研究，借助人工智能技術，結合大數據、云技術、物聯網形成城市隧道損傷智能識別技術；

（3）高寒、高海拔地區運營的城市隧道襯砌結構凍害問題日益突出，因此在隧道襯砌及保溫層施工和運行過程中，溫度的實時監測成為關鍵問題。

4 結束語

目前，我國依然處在隧道建設發展的關鍵時期，經過多年的快速發展，將有大量的城市隧道進入安全運維的關鍵時期，在漫長的服役期內，復雜的運維環境將不可避免地導致城市隧道結構的各種損傷，嚴重威脅城市隧道的運維安全和使用壽命。基于此，文章分析了國內外隧道的損傷類別，系統調研了現有的結構損傷識別技術。

通過綜合分析可知，健康監測作為一種長期的有效的損傷識別手段，應用較為廣泛，基于指標或模型修正的損傷識別方法大多依靠反演等技術手段，以結構相應誤差最小為相應目標進行結構指標特征值的輸出。基于智能算法等的新型損傷識別方法是今后的一大趨勢，能以既有損傷的識別為樣本進行深度學習，以此為基礎進行后續損傷的識別，識別準確率較高。同時，文章分析了城市隧道損傷識別領域存在的問題及下一步的研究重點，為今后城市隧道運維的損傷識別提供了一定的基礎經驗，在具體的應用層面，城市隧道的損傷識別技術領域還有諸多關鍵技術問題尚需進一步研究和解決。